摘要：装配连接界面是承载和保障机械装备实现既定功能的载体,其连接界面接触应力分布均匀性是影响机械装备磨损、疲劳、裂纹的关键因素,对机械装备高性能服役具有“锚定”作用。为改善连接界面接触应力分布均匀性,开展了材料刚度优化设计研究。首先,以接触应力方差为目标函数,以弹性模量为设计变量,基于渐进优化原理,构建了一种材料刚度优化设计方法。然后,分别针对有无摩擦工况下两个典型接触问题开展了材料刚度优化设计。结果表明,材料刚度优化可大幅降低接触应力方差,验证了本方法在提升连接界面接触应力分布均匀性上的有效性。进一步研究不同问题、不同摩擦因数取值下摩擦行为对优化结果的影响,发现摩擦行为的影响程度大小与问题边界、约束等情况密切相关。

摘要：接触问题的高度非线性使得同时实现装配结构高材料利用率与接触界面均匀应力分布并非易事,现有考虑接触界面应力分布的结构拓扑优化大多需要较复杂的处理过程及较大的计算资源。针对该问题,提出装配体结构与材料刚度协同优化思路;采用先结构拓扑优化后材料刚度优化的顺序优化策略,先通过结构拓扑优化实现装配结构的高材料利用率,再以结构拓扑优化后的输出作为材料刚度优化的输入,通过材料刚度优化实现接触界面的均匀应力分布;该思路具有可直接采用成熟拓扑优化方法而无须进行复杂处理以考虑接触非线性的特点。进一步建立接触问题中的结构拓扑与材料刚度协同优化模型,提出基于Von Mises应力的结构拓扑与材料刚度协同优化方法,优化过程中无须进行敏度分析。最后以典型弹性-刚性装配结构与弹性-弹性装配结构为设计对象,进行结构拓扑与材料刚度协同优化应用验证。

摘要：应力分布均匀程度是衡量精密机电产品装配精度和性能稳定性的重要指标,均匀的应力分布也是当前精密机电产品装配过程所追求的目标之一。形状设计是改善装配界面接触应力分布的重要途径,针对当前基于应力分布的装配界面形状主动设计方法中初始参数取值难以确定,且相关参数对优化过程计算效率、数值计算稳定性影响较大的问题,提出了一种根据优化过程中接触应力分布均匀程度变化信息来调节优化参数的自适应参数计算方法。并以典型单螺栓连接结构为设计对象,对比了采用自适应参数设计方法与采用固定参数设计方法分别进行装配界面形状主动设计后的结果。理论分析结果表明:该方法可以很好地解决基于应力分布的装配界面形状主动设计方法中初始参数难以确定的问题,同时提高了优化效果、计算效率和优化过程中的数值计算稳定性。

摘要：随着当前精密与超精密加工技术水平的提升,单个机械零部件的加工质量已经能够满足精度要求,但是现有的装配结构的质量却难以保障。为了提高面向装配结构连接性能拓扑优化方法的鲁棒性,同时给加工制造提供多种拓扑优化布局,以弹性装配结构为优化对象,对装配接触结构拓扑优化过程中优化参数对优化过程的影响进行分析。基于不同过滤半径对优化结果的影响规律,引入“各向异性过滤”方法,消除了装配体拓扑优化过程中出现的“界面效应”。另外为提高所优化结构的可加工制造性,引入两种最小长度控制方法,对两者的优化效果进行对比分析讨论,最终保证拓扑优化设计结果的可加工制造性。最后分析了光滑Heavside函数中锐度因子与阈值参数对优化结果的影响机制。

摘要：U形密封环是液体火箭发动机常用的一种密封结构,其密封性能是决定发动机可靠性的关键因素。为研究U形环的密封机制,改善其整体结构的密封性能,构建U形环密封结构的有限元分析模型,分析常温预紧工况和低温工作工况下密封环的密封性能。结果表明:相对于常温(20℃)预紧工况,低温(-183℃)工作工况下U形环密封面的有效接触宽度和接触应力更大,但仍存在密封面接触不充分的问题。采用密封界面形貌的优化设计方法对U形环密封界面进行优化设计,优化后U形环密封面从平坦形貌变为非平坦的非线性形貌,低温工作工况下U形环密封面的有效接触宽度增加了138%,接触应力分布均匀程度提升了99%,密封面的有效接触宽度大幅增加,接触应力分布的均匀性大幅改善,整体结构的密封性能显著提升。

摘要：目前在液体火箭发动机导管装配过程中,焊接变形产生的端面法兰轴线偏斜会导致导管与配对法兰装配后的连接系统产生应力集中、密封失效等问题。从螺栓拧紧起始点入手,应用有限元数值分析方法研究了导管连接偏斜状态下拧紧起始点的变化对发动机导管最大装配应力、密封件接触应力分布均匀性等性能的影响。针对配对法兰在不同偏斜角度下螺栓拧紧起始点对装配应力及密封性能的影响进行了对比分析,研究了不同偏斜方向下螺栓拧紧起始点对导管连接性能的影响。研究表明在同偏向下偏斜角度不同时,应依据偏斜角度大小选取对应的远离或靠近两法兰间距最值的拧紧起始点,并总结出导管与螺栓组最大装配应力值随偏斜方向的变化而发生整体增大或减小的变化规律。